電纜防噴管的模塊參數化設計*

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電纜防噴管的模塊參數化設計*

韓成才1, 朱林1, 魚洋2, 王小波3, 王麗春1

(1.西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安710065；2.寶雞石油鋼管有限責任公司西安石油專用管分公司，陜西 西安710200；

3. 寶雞市賽孚石油機械有限公司，陜西 寶雞721006)

摘要：針對系列化電纜防噴管設計效率低下，提出以SolidWorks為二次開發平臺，結合VB語言和Excel類型庫，對電纜防噴管進行模塊參數化設計。實踐證明，在設計圖紙階段，模塊參數化設計可以幫助設計人員方便快捷準確地完成設計任務，提高效率140倍以上。很大程度上節省了人力資源和縮短了生產周期，從而降低生產成本。

關鍵詞：電纜防噴管；二次開發；模塊參數化；設計

0引言

參數化設計[1-5]是三維軟件重點強調的設計理念。參數是參數化設計的核心概念，在一個模型中，參數是通過“尺寸”的形式來體現的。參數化設計的突出特點在于可以通過變更參數的方法來方便的修改設計意圖，簡化設計人員的工作，提高相關產品設計效率。

基于某公司研發中心對于系列化產品— 電纜防噴管 —圖紙設計效率低，設計標準、規范不統一，計算公式多樣化，系列化產品圖紙重復操作等，嚴重加大工作人員體力和腦力勞動，影響公司產品生產效率。為了改善這一現狀，以solidworks三維軟件作為二次開發平臺，結合VB語言，從電纜防噴管的設計思路到其研發最終輸出文件，參照標準、規范及相關計算公式進行模塊參數化設計。

1建立電纜防噴管三維模型

電纜防噴裝置是用于油田電纜測井作業時提供安全可靠的井口控制系統。在作業過程電纜處于靜態和動態狀況下密封井口，或者是在作業過程中井口有溢流不能控制及其他意外情況時關閉井口，防止井噴事故的發生，是油田安全作業的理想設備。電纜防噴管是電纜防噴裝置中不可或缺的關鍵部件之一，主要作用是在起、下作業工具串時起到容納作業工具串，并與電纜密封頭、防噴器等一起協同工作，起到防止井噴事故。因此電纜防噴管為下井工具串提供了壓力緩沖區和儀器通過的過渡區。根據現場需要，電纜防噴管可以多根組合使用。但不宜超過18 m。其工作環境一般是高壓、含H2S和酸的原油、天然氣、水的油氣井，工作溫度為-29~121 ℃。電纜防噴管根據基本結構分為兩類：組合式防噴管和整體式防噴管。本文主要介紹整體式防噴管的設計過程，整體防噴管如圖1。

圖1　整體式防噴管1.公口護絲　2.管體　3.由壬螺母　4.O型圈　5.母扣護絲

根據標準文件，查詢電纜防噴管的通徑、長度、工作壓力、工作溫度等級、承受壓力等級、材料，圖2為電纜防噴管尺寸圖，模型尺寸計算過程如下。

圖2　電纜防噴管尺寸圖

(1) 按剪切應力計算螺紋強度

(1)

式中：Kz為載荷不均勻系數，d/P<9時，Kz=5P/d；d/P≥9時，Kz=0.56；d7為外螺紋小徑(mm)；b為螺紋牙根部寬度(mm)，普通三角螺紋b=0.75P，國標Tr螺紋b=0.58P；P為螺距；z為螺紋旋合數； [τ]為許用剪切應力(MPa)； [τ]=0.6[σ]=σs/2.5。

(2) 按彎曲應力計算螺紋強度

(2)

式中：h為螺紋牙的工作高度(mm)，普通三角螺紋h=0.54P，國標Tr螺紋h=0.5P，美標ACME螺紋h=0.5P，美標SA螺紋h=0.3P。[σ]w為材料許用彎曲應力(MPa)，[σ]w=σs/1.5。

按式(1)和(2)計算螺紋長度，取其中較大者，向上圓整即為設計螺紋長度。

由以上尺寸計算過程可知，電纜防噴管模型尺寸主要由壓強P、通徑D、材料、螺紋類型、溝槽等直接或間接計算確定。取通徑D=62 mm，P=35 MPa，材料為35CrMo，長度為1 500 mm，螺紋連接為SA型螺紋，溝槽內徑為60.4 mm，計算各個尺寸參數。啟動SolidWorks，建立一個標準的防噴管管體三維模型，并將模型文件與數據文件放到一起。

2模塊設計

電纜防噴管模型尺寸主要由壓強P、通徑D、材料、螺紋類型、溝槽等直接或間接計算確定。所以將模型的模塊設計分為四部分：①基本參數(通徑、壓力、長度、材料、安全系數)；②外形設計；③扣型設計；④溝槽設計。這四部分包含了所有的基本變量，這些變量也就是程序設計中需要定義的變量。如通徑“D”壓力“P”、長度“L”、安全系數“α”、標準參數文件名“扣型”“溝槽內徑”“O型圈規格”等，如圖3(b)。

圖3　用戶界面

2.1　模塊窗口設計

在Visual Basic 6.0中建立用戶使用界面[6]，該界面分為兩個窗體：“防噴管管體設計”和“計算結果如下”。“防噴管管體設計”用戶界面主要包括四部分：①基本參數；②外形設計；③扣型設計；④溝槽設計。用戶通過輸入基本參數，選擇所需螺紋類型等點擊試算，就會彈出“計算結果如下”窗口，該窗體可以明確的顯示計算結果，并推薦螺紋、密封溝槽內徑尺寸、管體外徑、O形圈規格。經過用戶考慮核實，然后再選擇或輸入這些數據，點擊建模，應用程序直接啟動SolidWorks，完成用戶模型如圖3(a)。

2.2　操作失誤提示窗口

圖4　問題提示

雖然模塊窗口很清晰，但也難免會出現操作失誤，如在操作過程中如果沒有選擇螺紋類型，模型將不完整，無法建模。為了提醒用戶正確操作，加入了問題提示如圖4。

程序如下：

Private Sub Command1_Click()

If Cb2.Text=”請選擇螺紋類型” Then

MsgBox “請選擇連接螺紋類型”，0，“警告”

ElseIf Cb2.Text=“SA螺紋”or“ACME螺紋”Then.........

End If

End Sub

3建立模塊、模型、參數之間的聯系

模型通過模塊改變參數實現模型的重新建立，但有些參數不能隨意輸入，如螺紋，溝槽等，這些參數都有國家標準或企業內部標準，必須按照標準完成設計任務。所以必須調用標準數據，這就需要建立模型、模塊、參數之間的聯系。

3.1　建立模型與模塊之間的聯系

SolidWorks通過OLE(對象的嵌入與鏈接)或者COM為用戶提供了自由開放、功能完整的二次開發接口(API)[3]。所以，可以通過Visual Basic編程語言建立SolidWorks模型和VB模塊之間的聯系，關鍵程序如下：

Option Explicit

Dim swapp As Objection

Dim Part As Objection.....’定義全局變量

Set swapp=CreateObject(Sldworks.application)’創建Sldworks對象

Swapp.visible=True

Set Part=swapp.OpenDoc(App.Path&“防噴管體.sldprt’’,1)

Set Part=swapp.ActivateDoc(“防噴管管體”)’激活建模對象

Part.Parameter(“L@草圖1”).SystemValue=(Val(Text3)+Val(Text11))/1000

Part.Parameter(“d2@草圖1”).SystemValue=Val(Text12/1000)

Part.Parameter(“d5@草圖1”).SystemValue=Val(L1/1000)

......’編輯公式，變量賦值

Part.EditRebuild ’刷新，重新建模

Part.ShowNameView”*上下二等角軸測”，8’最佳顯示視角

Part.viewZoomtofit2

Boolstatus=part.Extension.SelectByID2(“前示準面”，“PLANE”，0，0，0，True，1，Nothing，0)

Part.ClearSelection2 True

......

3.2　建立模塊與參數的聯系

在二次開發過程中，一開始采用文件數據庫實驗，但由于數據庫量巨大，數據整理麻煩而且易出錯。微軟公司的電子表格軟件Excel具有快捷方便的數據輸入和強大的數據處理能力，它對編輯、格式化、設計報表和打印等功能都提供了很完美的解決方案，為我們的工作帶來了極大方便[7]。本文實現了外圍Excel類型庫大中型數據為SolidWorks的調用，建立了模塊與參數之間的聯系，從而實現了模型與參數之間的聯系。在應用前確保工程引用Excel類型庫：從“工程”菜單中選擇“引用”欄，選擇Microsoft Excel 9.0 Object Library。以下為VB模塊調用Excel數據的應用程序：

Private Sub Command_2Click()

Dim XlsApp As Excel.Application

Dim XlsWorkbook As Excel.Workbook

Dim XlsSheet As Excel.Worksheet’定義Excel對象

Dim i As Integer

Dim j As Integer

Dim s(13,13)As String

Set XlsApp=CreatObject(“Excel.Application”)’創建Excel對象

Set XlsWorkbook=XlsApp.Workbooks.open(App.Path&”SA螺紋.xls”) ’打開存在的Excel工作薄

XlsApp.Visible=False’不可見

Set XlsSheet=XlsWorkbook.worksheets(“Sheet1”)’設置“表”名

XlsSheet.Activate

For i=1 to 13

For j=1 to 13

S(i-1,j-1)=XlsSheet.Cell(i,j)‘將Excel中的數據取出

Next j

Next i

Text1.Text=S(0,0)

Text2.Text=S(0,1)

.....

XlsApp.Quit’結束

Set XlsSheet=Nothing’釋放

Set XlsWorkbook=Nothing

Set XlsApp=Nothing

3.3　整理文件

在VB-文件下生成exe應用程序，并將所有文件放到一個文件夾中，如圖5。

圖5　文件內容

4調試與實驗

打開電纜防噴管模塊文件包，雙擊防噴管VB.exe，進入到模塊界面，基本參數部分輸入通徑、安全系數、壓力、長度、材料，扣型設計選擇螺紋類型、扣型，溝槽設計選擇溝槽內。，至于其他參數，模塊將會自動計算，并填寫。如果程序計算的參數不能滿足設計者要求，設計者可以自行填寫參數如圖3(a)右側。然后點擊試算，模塊將會彈出“計算結果如下”，給設計者一定參考。然后再點擊建模，將會啟動SolidWorks,建立出設計者所要求的電纜防噴管三維模型，如圖6。

圖6　電纜防噴管建模過程

三維模型確定后，設計者很快就完成二維工程圖及其標注。整個過程大概10 min左右，并且與傳統設計相比較，模塊參數化的電纜防噴管工程圖完全滿足加工要求。經調查，以防噴管管體設計為例，如果按照傳統設計方法，一位正式設計人員完成圖紙大概要3天，而應用模塊參數化設計，包括打印、審核在內僅僅是10 min左右的時間。該公司還對法蘭、防噴器等進行模塊參數化設計，設計開發出適用于自己的應用程序和參數化模塊，極大的減輕了設計人員的工作量，提高工作效率140倍以上。

5結語

以VB和Excel為基礎，SolidWorks為平臺，成功實現電纜防噴管模塊參數化設計，提高設計人員工作效率140倍以上，從而縮短了企業產品開發周期，降低產品開發和制造成本。

首次實現Excel中參數調入VB6.0建立的模塊，實現外圍Excel中大型數據為SolidWorks的調用，極大簡化了標準參數的處理，節省了模塊參數化的工作量，為模塊參數化設計的進一步開發提供了新方法。

模塊參數化設計是非常適合基本結構不變的系列化產品的設計，尤其對單件小批量產品的生產，極大的降低生產成本。因此模塊參數化設計對日益多樣化的市場具有很大優勢，可以提高企業競爭力，為廣大企業指明了方向。

參考文獻：

[1]李凱,付志強,張若青.基于Pro/E的參數化建模方法比較[J].機電信息,2010(12)：194-202.

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[3]饒錫新,傅航,王佳璽,等.基于UG的風機葉片參數化建模方法[J].南昌大學學報，2010，32(4)：335-338.

[4]王錦紅,邵明.基于UG軟件的參數化建模技術應用[J].現代制造工程,2003(2):29-30.

[5]禹誠.基于UG的產品參數化設計方法[J].中國機械工程,2003,14(S1):19-21.

[6]劉蓮英.Visual Basic程序設計教程[M].北京：北京工業出版社，2011.

[7]邵洪成.VB與Excel中的數據互換[J].平頂山工學院學報，2006,15(2):29-32.

Parametric Design of Wireline Lubricator Module

HAN Cheng-cai1, ZHULin1, YUYang2, WANG Xiao-bo3, WANG Li-chun1

(1.CollegeofMechanicalEngineering，Xi′anShiyouUniversity，Xi′anShaanxi710065，China；

2.BaojiPetroleumSteelPipeCo.,Ltd,OctgBranch，Xi′anShaanxi710200,China;

3.BaojiSaifuPetroleumMachineryCo.,Ltd，BaojiShaanxi721006,China)

Abstract:For the series of wireline lubricator low design efficiency, parametric design of wireline lubricator module is put forward,which is made in SolidWorks secondary development platform and combined with VB language and the Excel type library.Practice has proved that module parametric design can help designers complete design tasks easily ,quickly and accurately and improve 140 times greater efficiency in the design drawings stage.The new way largely saves human resources and shorten the production cycle, thus reducing the cost of production.

Key words:wireline lubricator;secondary development;module parametric;design

中圖分類號:TH164

文獻標志碼：A

文章編號：1007-4414(2015)03-0180-04

作者簡介：韓成才(1962-)，男，教授，碩士研究生導師，研究方向:井下工具、石油裝備設計與研發。

*收稿日期：2015-03-20